一种精确的多接收阵合成孔径声纳距离多普勒成像算法

第２５卷第３期　２０１０年５月　数　据　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　采　Ｄａｔａ　集　与　处　理　

Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ＆Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ＶｏＩ．２５　Ｎｏ．３　

Ｍａｙ　２０１０　

引　文章编号：１００４—９０３７（２０１０）０３—０３１３－０５　一种精确的多接收阵合成孔径声纳距离多普勒成像算法　

杨海亮　张　森　唐劲松　陈　鸣　（海军工程大学电子工程学院，武汉，４４００３３）　

摘要：针对现有多接收阵合成孔径声纳算法没有考虑或低估了“停走停”近似在宽测绘带和高平台运动速度情况　下带来的图像失真的现象，本文在深入分析多接收阵系统误差产生机理的基础上，提出了一种适用于宽测绘带　成像的精确多接收阵合成孔径声纳距离多普勒成像算法，它舍弃了目前普遍采用的等效相位中心（ＤＰＣ）近似，　采用多接收子阵的精确延迟模型。算法首先对各接收子阵数据单独处理求得方位谱并进行方位向扩展，随后分　别进行距离徒动校正和方位向脉压，最后将各通道的方位谱相干叠加，反傅里叶变换后得到了高分辨图像。通过　点目标仿真比较，该算法在峰值旁瓣比及目标的定位等方面优于现有算法。　关键词：多接收阵合成孔径声纳；宽测绘带；距离多普勒算法　中图分类号：ＴＮ９５７　文献标识码：Ａ　

Ａｃｃｕｒａｔｅ　Ｒａｎｇｅ　Ｄｏｐｐｌｅｒ　Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｆｏｒ　Ｍｕｌｔｉｐｌｅ－ｒｅｃｅｉｖｅｒ　Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ　Ａｐｅｒｔｕｒｅ　Ｓｏｎａｒ　｝ｒａｎｇ　Ｈａｉｌｉａｎｇ，Ｚｈａｎｇ　Ｓｅｎ，Ｔａｎｇ　Ｊｉｎｓｏｎｇ，Ｃｈｅｎ　Ｍｉｎｇ　（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎａｖａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｗｕｈａｎ，４４００３３，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｉｍａｇｅ　ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ　ｃａｕｓｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｓｔｏｐ—ａｎｄ—ｈｏｐ　ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｉｏｎ　ｉｓ　ｕｓｕａｌｌｙ　ｉｇｎｏｒｅｄ　ｏｒ　ｕｎｄｅｒｅｓｔｉｍａｔｅｄ　ｉｎ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｍｕｌｔｉｐｌｅ—ｒｅｃｅｉｖｅｒ　ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ　ａｐｅｒｔｕｒｅ　ｓｏｎａｒ（ＳＡＳ）ｉｍａｇｅ　ａｌｇｏ—　ｒｉｔｈｍｓ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｗｉｄｅ　ｓｗａｔｈ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｈｉｇｈ　ｐｌａｔｆｏｒｍ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ．Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｐｒｅｓｅｎｔｓ　ａｎ　ａｃｃｕｒａｔｅ　ｒａｎｇｅ　Ｄｏｐｐｌｅｒ　ｉｍａｇｅ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｔｏ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｒｅｔｕｒｎ　ｄａｔａ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｗｉｄｅ　ｓｗａｔｈ　ｂｙ　ａｎａｌｙｚｉｎｇ　ｔｈｅ　ｓｙｓ—　ｔｅｍ　ｐｈａｓｅ　ｅｒｒｏｒ　ｉｎ　ＳＡＳ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｍｕｌｔｉｐｌｅ—ｒｅｃｅｉｖｅｒ．Ｔｈｅ　ｄｉｓｐｌａｃｅｄ　ｐｈａｓｅ　ｃｅｎｔｅｒ（ＤＰＣ）ａｐｐｒｏｘｉ—　ｍａｒｉｏｎ　ｉＳ　ｄｉｓｃａｒｄｅｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ａｃｃｕｒａｔｅ　ｄｅｌａｙ　ｍｏｄｅｌ　ｉＳ　ｕｓｅｄ．Ｔｈｅ　ａｚｉｍｕｔｈ　ｓｐｅｃｔｒｕｍ　ｏｆ　ｅａｃｈ　ｒｅｃｅｉｖ—　ｅｒ　ｅｃｈｏｅ　ｉｓ　ｆｉｒｓｔｌｙ　ｏｂｔａｉｎｅｄ　ａｎｄ　ｅｘｔｅｎｄｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ａｚｉｍｕｔｈ．Ｔｈｅｎ，ｔｈｅ　ｅｘｔｅｎｄｅｄ　ａｚｉｍｕｔｈ　ｓｐｅｃｔｒｕｍｓ　ｏｆ　ａｌｌ　ｒｅｃｅｉｖｅｒ　ｅｃｈｏｅｓ　ａｒｅ　ａｄｄｅｄ　ａｆｔｅｒ　ｐｅｒｆｏｒｍｉｎｇ　ｒａｎｇｅ　ｍｉｇｒａｔｉｏｎ　ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ａｚｉｍｕｔｈ　ｔｏｍ—　ｐｒｅｓｓｉｏｎ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｈｉｇｈ　ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ　ｉｍａｇｅ　ｉｓ　ａｃｈｉｅｖｅｄ　ａｆｔｅｒ　ｔｈｅ　ｉｎｖｅｒｓｅ　Ｆｏｕｒｉｅｒ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍ．Ｃｏｒｎ—　ｐａｒｉｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｐｏｉｎｔ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｓ　ｓｕｐｅｒｉｏｒ　ｔｏ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ　ａｔ　ｔｈｅ　ｐｅａｋ　ｓｉｄｅ—　ｌｏｂｅ　ｒａｔｉｏ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｔａｒｇｅｔ　ｌｏｃａｔｉｏｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｍｕｌｔｉｐｌｅ—ｒｅｃｅｉｖｅｒ　ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ　ａｐｅｒｔｕｒｅ　ｓｏｎａｒ；ｗｉｄｅ　ｓｗａｔｈ；ｒａｎｇｅ　Ｄｏｐｐｌｅｒ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　

合成孔径声纳（ＳＡＳ）成像中，提高测绘率是水　下大面积测绘的一个重要指标。而水声传播的低速　性导致的空间欠采样问题严重限制了ＳＡＳ测绘率　的提高，为了克服这种矛盾，ＳＡＳ通常采用多接收　阵技术Ｌ】。］。但是，随着接收阵数目的增加，相对于　常规的收发合置ＳＡＳ处理，其信号处理的难度也　

大大增加。传统ＳＡＳ成像算法普遍作了“停走停”　假设，即接收阵在信号传播期间处于静止状态。这　样的假设在ＳＡＲ中是基本满足的，但在ＳＡＳ成像　系统中，尤其是作用距离较远时，由于水声传播的　低速性，在一个脉冲重复周期内，接收阵有很长一　段时间来运动，由“停走停”假设引起的相位误差将　不能忽略（这里称“停走停”不成立的情况为非“停　走停”模式）。文献Ｅ４３基于非“停走停”模式提出了　多接收阵逐点算法，但该算法的缺点是运算量太　

基金项目：国家“八六三”高技术研究发展计划（２００７ＡＡ０９１１０１）资助项目。　收稿日期：２００９一Ｏ１—０４；修订日期：２００９—０９—２４　３１４　数　据　采　集　与　处　理　第２５卷　大，实时处理成本过高。　对多子阵合成孔径声纳回波数据进行成像处理　的直接方法，就是将多接收阵接收的信号转化为单　接收阵的形式，从而采用已有的常规逐线成像算法。　一种简便的方法就是采用等效相位中心（ＤＰＣ）近　似，比如文献［５—６］认为发射器和接收器连线的中点　存在一个等效相位中心，声纳从该相位中心发射信　号和接收目标回波，这样在一定程度上可以简化　ＳＡＳ成像处理，但这种近似会带来一定系统相位误　差。ｗ　Ｗ　Ｂｏｎｉｆａｎｔ［７］指出，可以通过对回波信号乘　以一个相位项，来近似补偿ＤＰＣ引入的误差，这对　于远距离基本可行，但当距离比较近或系统方位分　辨率要求比较高的时候，这种补偿方法仍不能满足　需要。Ｊｉａｎｇ　ＸｉａｏｋｕｉＩｓ－９］等采用了一种修正距离多普　勒算法，针对性地处理近距离ＤＰＣ近似所带来的问　题，但该方法没有考虑非“停走停”模式带来的影响。　基于此，本文在分析了非“停走停”模式的多接收阵　相位误差的基础上，提出了一种改进算法，该方法适　用于宽测绘带高平台运动速度下的ＳＡＳ成像。　１　系统数学模型　多接收阵ＳＡＳ系统如图１所示，在直角坐标　系中，ＳＡＳ平台沿着方位向ｚ轴运动，目标位于坐　标（Ｏ，ｒ）处，ｒ为目标与平台运动轨迹之问的斜距，　ＪＣ。为其方位坐标，　为平台运动速度。发射和接收　单元分布于方位向，发射单元位于离目标距离尺　、　方位位置为（Ｏ，ｖｔ）处，以第ｉ个接收单元为例，此　接收单元与发射单元间距Ａｈ　，假设ｆ，表示信号从　发射到接收的精确延迟时间，易知信号传播期间平　台移动距离为Ｖｔｉ＂。令Ｒ　（ｆ，，．）＝Ｒ　＋Ｒ　为信号延　时历程，这里发射阵到目标点距离为：Ｒ　一　￣／（　ｆ）　＋ｒ　，目标点到第ｉ个接收阵的距离为：　●＿＿＿＿●＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿●＾＿●＾＿＿●＾－。＿－＿●。。＿●＿一　Ｒ　一√（ｖｔ＋Ａｈ　＋ｖｔ；）　＋ｒ　。显然，照射区域中不　

同的目标点都会引起不同的＂ｏｔＺ。依据文献［２］，ｆ，　的精确表达式为　１，　一　，一Ｒ（　，，Ｏ／ｃ一南‘｛　（　＋Ａｈ　）＋ｆ￣／（ｚＪ　）　＋ｒ　＋　

式中ｃ为水下声速。　Ｅｖ（　ｆ＋　）＋ｃ　丁　］　＋（ｃ２一　。）［２（　ｆ）　＋△＾　２－Ｉｌ　（１）　

，，　图１多接收阵ＳＡＳ成像几何示意图　假定发射信号为线性调频信号，调频斜率为　Ｋ，易知各接收阵在距离ｒ处的点目标的回波的基　带形式为　ＳｒＳｒ（ｒ，ｔ；ｒ）＝Ａ０　（ｒ—ｔｉ＂）　・　ｅｘｐ｛一ｊｎＫ（ｒ一　）　｝ｅｘｐ｛一ｊ　ｔｉ＊）（２）　式中：Ａ。为包括散射系数在内的总增益；　为距离　向包络函数；　为方位向包络函数；Ｋ为发射信号　调频斜率；ｒ为快时间变量；　。为中心角频率。　

２延时误差分析　相比较于收发合置的传统算法，多接收阵　ＳＡＳ成像算法主要不同之处在于两方面：一是收　发分置与非“停走停”模式带来的方位向相位变化，　另一方面是其造成的距离徙动的改变。而这两方面　误差产生的根源是信号延迟时间的误差。　２．１等效相位中心（ＤＰＣ）　引言中已经提到，对多子阵合成孔径声纳回波　数据进行成像处理的最直接和简便的方法就是采　用ＤＰＣ近似，补偿收发分置引入的固定相移后，将　多接收阵的信号转化为单接收阵的形式，从而采用　已有的常规逐线成像算法进行处理。如图１中，目　标到发射阵与第ｉ个接收阵的等效相位中心之间　。。＿－●－＿＿●＿＿－●＿●＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿●＿＿－＿。。●●。●＿。●。＿。。。。。。。。。。。。。。。－。。。。－。。。。。＿＿●＿＿一　的距离为：Ｒ　一√（ｖｔ＋Ａｈ　／２）　＋ｒ　，这样在一定程　度上可以简化ＳＡＳ成像处理。文献［６，１０－］曾依据　ＤＰＣ近似给出了一种谱重构算法，算法首先对各　个接收子阵信号进行距离向脉冲压缩，以及距离向　和方位向的二维Ｆｏｕｒｉｅｒ变换，针对不同位置的接　受子阵，其相应的ＤＰＣ接收回波信号的二维频谱　互相之间只是相差一个与各个子阵位置有关的相　位项ｅｘｐ（－－ｊｎｋ　ｄｈ／２），而其他项对于所有ＤＰＣ都　相同，因此可以通过延时求和的方法将各子阵二维　谱相干叠加得到多接收阵总的二维频谱。随后可采　用常规单阵算法进行成像处理。ＤＰＣ近似技术虽　然简化了成像过程，也可通过近似补偿固定相移来　减少这种近似引入的误差，但在对近距离目标成像